陳柱成／李雪明／李明組揭示SNF2染色質重塑中DNA滑移的機理

　　染色質重塑復合物利用ATP的能量移動核小體在基因組上的位置和組成成分，在控制染色質結構、調節基因轉錄等方面具有重大作用，主要可以分四大類：SWI/SNF、CHD、ISWI和INO80【1】。這些分子機器的運行機理，即如何利用ATP水解的能量推動核小體移動和組蛋白交換，一直是一個未解的科學問題。利用冷凍電鏡技術，近年來對于這個問題的解答有了突飛猛進【2-6】，其中清華大學陳柱成實驗室在領域也做出了重要的工作【2】。此外，美國哈佛大學Cigall Kadoch課題組在Cell上的工作還揭示了mSWI/SNF復合物的模塊組織和組裝通路，并分析了人類疾病相關的突變影響mSWI/SNF的分子機制【7】。（專家解讀Science+Cell丨近期系列染色質重塑復合物相關重大成果）

　　陳柱成實驗室長期從事染色質重塑的相關分子機理研究，近幾年該課題組發表了一系列重要成果，包括解析了Snf2蛋白基態晶體結構，闡釋了Snf2的自抑制機理【8】；解析了嗜熱酵母的染色質重塑蛋白ISWI 及其與組蛋白H4復合物的原子分辨率結構，揭示了ISWI 蛋白的自抑制、被底物識別和激活以及感知接頭DNA長度，進而發揮染色質組裝功能的分子機理【9】；解析了第一個染色質重塑蛋白與底物核小體結合的高分辨結構，首次揭示了染色質重塑的機理【2】。

　　然而陳柱成課題組報道的Snf2與核小體結合的結構【2】的這個早期的工作并沒有明確檢測到DNA移位。 染色質重塑蛋白如何利用ATP水解的能量推動核小體滑移依然是一個讓人困擾的難題。

　　2019年3月13日，清華大學生命科學學院陳柱成課題組、李雪明課題組以及中科院物理所李明課題組合作在Nature上發表了題為Mechanism of DNA translocation underlying chromatin remodeling by Snf2的研究論文，析了不同核苷酸狀態下Snf2-核小體復合物的冷凍電鏡結構，揭示了Snf2介導的染色質重塑中DNA滑移的機理。

　　在前期研究基礎上，陳柱成與李雪明實驗室合作，利用冷凍電鏡技術，進一步確定了在不同核苷酸（ADP和ADP-BeFx）狀態下Snf2-核小體復合物的高分辨結構（圖1）。

圖1 ADP（左圖）和ADP-BeF（右圖）狀態下Snf2-核小體復合物整體結構

　　他們發現在一個ATPase循環過程中，Snf2存在打開-閉合的構象變化。在打開狀態下，Snf2在核小體結合點(SHL2)引起1bp DNA的凸起，這個形變沿DNA鏈向入口端傳遞，使得 1bp DNA被拉入核小體。而且DNA前導鏈比后隨鏈有更明顯的移動，顯示DNA的“扭曲－滑移”運動。ADP-BeFx的結合導致酶構象閉合，核小體恢復到自然狀態，沒有明顯的扭曲。Snf2介導的這種DNA運動模式超出一般想象。

　　為了確認上述實驗結果，陳柱成與中科院物理所李明實驗室合作，利用單分子熒光技術(smFRET)確認了溶液狀態的DNA運動與冷凍電鏡結構一致。最后，研究者提出了染色質重塑的兩步走”DNA波”模型（圖2）：第一步，ATP水解，Snf2張開，把DNA從入口端拉進，并在SHL2處儲存1bp DNA形變（“DNA波”）；第二步，ATP結合，Snf2關閉，使得DNA形變向出口端傳遞，就像水波沿湖面傳遞一樣,最終實現DNA對組蛋白的相對移動。

圖2 Snf2介導的核小體滑動模型

　　這個模型表明Snf2水解一個ATP，移動1bp DNA。同時也解釋了DNA移動的方向性機制。總之，本論文解答了染色質重塑過程中DNA移位的基本原理，相信此研究結果在染色質領域會有非常廣泛的影響。

　　據悉，清華大學生命學院陳柱成研究員、李雪明研究員以及中科院物理所李明研究員為本文共同通訊作者。清華大學生博士生李美靜，夏顯，田元元和劉曉玉，以及中科院物理所博士生賈棋為本文共同第一作者。

　　全文鏈接：

　　https://doi.org/10.1038/s41586-019-1029-2

　　參考文獻

　　1 Clapier, C. R. & Cairns, B. R. The biology of chromatin remodeling complexes. Annu. Rev. Biochem.78, 273-304 (2009).

　　2 Liu, X., Li, M., Xia, X., Li, X. & Chen, Z. Mechanism of chromatin remodelling revealed by the Snf2-nucleosome structure. Nature 544, 440-445 (2017).

　　3 Farnung, L., Vos, S. M., Wigge, C. & Cramer, P. Nucleosome-Chd1 structure and implications for chromatin remodelling. Nature 550, 539-542 (2017).

　　4 Ayala, R. et al. Structure and regulation of the human INO80-nucleosome complex. Nature 556, 391-395 (2018).

　　5 Eustermann, S. et al. Structural basis for ATP-dependent chromatin remodelling by the INO80 complex. Nature 556, 386-390 (2018).

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　　8 Xia, X., Liu, X., Li, T., Fang, X., & Chen, Z. (2016). Structure of chromatin remodeler Swi2/Snf2 in the resting state. Nature structural & molecular biology, 23(8), 722.

　　9 Yan, L., Wang, L., Tian, Y., Xia, X., & Chen, Z. (2016). Structure and regulation of the chromatin remodeller ISWI. Nature, 540(7633), 466.